1.1 Влияние низких температур окружающей среды на пуск атд
Использование тракторов и автомобилей зимой сопровождается большими потерями рабочего времени, труда и материальных средств на эксплуатацию, обслуживание, ремонт и хранение машин. Особенно заметно возрастают простои и трудозатраты, износ деталей и количество отказов двигателей в период предпусковой подготовки и пуска, продолжительность которого при температуре ниже минус 30°С достигает 10...20% времени рабочей смены и более. При низкой температуре изменяются эксплуатационные свойства топлива и смазочных материалов, создаются неблагоприятные условия для работы топливоподающей аппаратуры и электрооборудования. Увеличивающаяся вязкость топлива и масел затрудняет прокручивание двигателя при пуске и вызывает повышенный износ его деталей.
Эффективность использования тракторов и автомобилей в значительной степени зависит от технического состояния наиболее сложного и дорогостоящего агрегата — двигателя, долговечность и безотказность работы которого определяются климатическими условиями, нагрузочными, скоростными, температурными режимами работы, качеством обслуживания и многими другими факторами. Влияние этих факторов усиливается с понижением температуры окружающей среды. В условиях зимней эксплуатации, особенно в период пуска-прогрева, увеличиваются количество отказов двигателей, трудозатраты на их устранение и простои машин при подготовке двигателей к работе. Достаточно отметить, что простои машин из-за затрудненного пуска двигателя при температуре минус 25...30 °С и ниже часто достигают 1,0...1,5ч и более. При этом на пусковых режимах повышается интенсивность изнашивания основных сопряжений, что снижает долговечность двигателя [9].
Пуск двигателя состоит из следующих основных стадий:
1) начальный разгон до пусковой частоты вращения коленчатого вала;
2
)
вращение коленчатого вала с примерно
постоянной частотой до первых вспышек
в цилиндрах (прокрутка);
3) вращение коленчатого вала с частичным использованием индикаторной мощности;
4) переход на режим самостоятельной работы;
5) работа в режиме холостого хода.
Практически вероятность успешного пуска двигателя зимой с первой попытки невысока (около 10 % [10]), так как процесс может прекратиться на любой стадии.
В первой стадии коленчатый вал проворачивается пусковой системой двигателя (подача топлива выключена). Вторая стадия длится с начала устойчивого его вращения пусковой системой до начала подачи топлива в цилиндры двигателя. Третья стадия начинается с момента включения подачи топлива и характеризуется неустойчивой работой двигателя. Энергия, получаемая от сгорания топлива, недостаточна для увеличения частоты вращения коленчатого вала, которая колеблется в пределах 3...5 с-1 (оборотов в секунду). Сразу после включения подачи топлива наблюдаются пропуски вспышек горючей смеси - до 40 % от общего числа впрысков топлива в цилиндры двигателя [11]. Угловая частота коленчатого вала изменяется в пределах 150...200 мин-1. Максимальное давление сгорания при первой вспышке достигает 8,5.105 Н/м2, затем снижается до (7...8).105 Н/м2. Максимальное значение скорости нарастания давления в процессе сгорания (жесткость) при первой вспышке достигает 3,1.105 Н/м2град; среднее давление жесткости равно 1,8.105 Н/м2град [11].
В переходном режиме работы при сгорании топлива выделяется энергия, достаточная для ускорения вращения коленчатого вала от 4...5 с-1 до максимального значения (режим холостого хода) и самостоятельной работы двигателя. Пропуски вспышек прекращаются, равномерно снижается максимальное давление сгорания. Считается, что двигатель находится в режиме самостоятельной работы, если число вспышек, отнесенных к двум оборотам коленчатого вала, достигло 75 %. При работе двигателя в режиме холостого хода частота вращения коленчатого вала колеблется в узких пределах, среднее значение максимального давления сгорания практически равно давлению конца сжатия [12].
Низкие температуры воздуха и связанное с этим охлаждение агрегатов и эксплуатационных материалов затрудняют пуск двигателя, уменьшают стабильность работы отдельных систем двигателя на всех режимах. Трудности пуска двигателя возникают из-за сложности создания пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя, ухудшения условий смесеобразования и воспламенения смеси. К общим причинам, затрудняющим пуск холодных дизельных двигателей при низких температурах, относятся [13]:
увеличение момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя, вызванное повышенной вязкостью масла;
снижение температуры поступающего в двигатель воздуха, что приводит к понижению температуры топливной смеси в конце сжатия. Пуск дизеля возможен лишь, когда температура в конце такта сжатия в камере сгорания достигает 350...400 0С. Так, например, при частоте вращения коленчатого вала двигателя 190 мин-1 и температуре окружающего воздуха 0 0С впрыск топлива снижает температуру смеси в конце такта сжатия на 130 0С;
снижение температуры конца такта сжатия из-за интенсивной теплоотдачи в стенки цилиндров, ведет к снижению среднего индикаторного давления, развиваемого двигателем;
увеличения утечки воздуха через зазоры в сопряжениях деталей ЦПГ из-за медленного прокручивания коленчатого вала;
увеличение вязкости топлива, образование парафинов и ухудшения распыла его форсунками;
ухудшение работоспособности аккумуляторных батарей.
Для обеспечения надежного пуска тракторного двигателя необходимо, чтобы температура воздуха в конце сжатия была выше температуры самовоспламенения топлива. Температура самовоспламенения дизельного топлива в распыленном состоянии составляет 400 0С, а температура воздуха в конце такта сжатия достигает 700 0С (при нормальных условиях эксплуатации). Для нагрева воздуха до указанной температуры необходимо сжать его до (300...350) ´104 Н/м2. Однако в холодное время года даже высокое давление не обеспечивает нагрев воздуха до необходимой температуры в конце такта сжатия. Температура воздушного заряда зимой снижается в результате действия ряда факторов.
Во-первых, в цилиндры двигателя подается сильно охлажденный наружный воздух, который во время впуска не нагревается от холодных гильз цилиндров.
Во-вторых,
во время сжатия (при малой частоте
вращения коленчатого вала) происходит
большая утечка воздуха через зазоры
между поршнем и гильзой цилиндров. По
данным [11, 13 и др.] при скорости вращения
коленчатого вала в пределах 50...75 мин-1
утечка
воздушного заряда в среднем составляет
24% (при степени сжатия
=16)
от всего объема воздуха, поступившего
в цилиндры двигателя. При увеличении
угловой частоты коленчатого вала до
200 мин-1
утечка воздуха через зазоры снижается
в среднем до 5%.
При пуске холодного двигателя, за счет усиленного теплообмена между воздушным зарядом и стенками цилиндра, повышение температуры сжимаемого воздуха замедляется, а, следовательно, ухудшаются условия самовоспламенения топлива. Кроме того, впрыск холодного топлива в камеру сгорания приводит к увеличению поверхностного натяжения и кинематической вязкости капель. Это сказывается на том, что увеличивается масса и кинетическая энергия каждой капли, уменьшается суммарная сила их аэродинамического торможения. В результате интенсивность торможения капель уменьшается, и лишь небольшая часть цикловой подачи оказывается взвешенной в объеме факела. Все это приводит к тому, что увеличивается время на прогрев, испарение и воспламенение топлива, и как следствие происходит нарушение процесса горения и повышается жесткость работы двигателя. Пуск двигателя в холодное время года затрудняется еще тем, что температура самовоспламенения дизельного топлива возрастает с понижением давления в камере сгорания. Так, например, если при давлении 30 МПа температура самовоспламенения топлива равна 200 0С, то при давлении 1 МПа она достигает 400 0С [14].
Зимой особенно трудно пустить двигатели с электростартерами, так как ухудшается работоспособность аккумуляторных батарей. Вязкость электролита увеличивается. Электролит медленно проникает в поры активной массы пластин аккумуляторных элементов, вследствие чего полезная отдача аккумуляторных батарей, особенно при разрядке токами большой силы, например при работе стартера, значительно уменьшается. Эксперименты по пуску двигателя ПД6-150 при различных значениях отрицательных температур (от минус 16 до минус 34 °С) показали, что уже при температуре электролита минус 16°С в аккумуляторах с эксплуатационной степенью заряженности (80% номинальной емкости) пуск подогретого до 60°С двигателя оказался невозможным вследствие малых пусковых оборотов, развиваемых стартером, и значительной потери емкости холодных аккумуляторных батарей [15].
Большое влияние на процесс пуска и стабильность параметров рабочего процесса дизельных двигателей в зимнее время оказывают вязкость и температура застывания топлива, от которых зависит количество и равномерность подачи топлива насосом высокого давления, качество его распыливания форсунками и смесеобразования в цилиндре. С понижением температуры вязкость дизельного топлива повышается, а из-за выделения кристаллов парафинов мутнеет и даже застывает, теряя подвижность. Выпавшие кристаллы углеводородов забивают топливные фильтры и топливопроводы, что сначала нарушает, а затем полностью прекращает подачу топлива.
Факторы, влияющие на воспламенение и сгорание рабочей смеси при пуске двигателя в зимних условиях, могут быть разделены на поддающиеся управлению в процессе эксплуатации и конструктивные, управление которыми невозможно. На (рис.1.2) показана схема взаимодействия факторов, влияющих на воспламеняемость смеси в начальный период пуска. В пунктирном прямоугольнике на схеме выделены факторы, управление которыми возможно. Так, например, качество работы топливной системы зависит от вида топлива, его цетанового числа, температуры. В эксплуатации на эти параметры можно влиять путем добавления легковоспламеняющихся жидкостей, выбором топлива с соответствующим значением цетанового числа, его подогревом перед подачей в двигатель.
Рис 1.2. Схема взаимодействия факторов, влияющих на воспламеняемость смеси в начальный период пуска
При низких температурах ухудшается пропускная способность фильтров вследствие забивания их кристаллами Н-алканов и кристаллами льда. Эти помехи могут быть также устранены путем обогрева топливных фильтров.